CC BY
50
УДК: 340.64:611.717.5-018.4:611.711.6-018.4
СУДЕБНО-МЕДИЦИНСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЗРАСТА ПО ЦИФРОВЫМ ИЗОБРАЖЕНИЯМ ГУБЧАТОГО ВЕЩЕСТВА ЛУЧЕВОЙ КОСТИ И ПОЯСНИЧНЫХ ПОЗВОНКОВ
В.Э. Янковский, С.А. Фоминых
ГОУ ВПО Алтайский государственный медицинский университет Минздравсоцразвития России, Барнаул E-mail: yankovsckiy-sme@yandex.ru, fominykh99@yandex.ru
FORENSIC DETERMINATION OF AGE BY DIGITAL IMAGES OF SPONGY SUBSTANCE OF THE RADIUS AND LUMBAR VERTEBRAE
V.E. Yankovskiy, S.A. Fominykh
Altai State Medical University, Barnaul
Дано краткое описание проблемы установления возраста в судебно-медицинской практике. Предложен новый метод оценки биологического возраста костных останков, основанный на многомерном анализе цифровых изображений губчатого вещества.
Ключевые слова: судебная медицина, костная ткань, многомерный анализ, возраст.
This is a brief description of problem of determination of age in judicial-medical practice. The new method is based on multivariate analysis of digital images of spongy substance. This method helps to estimate biogical age of bone remains. Key words: forensic medicine, bone tissue, multivariate analysis, age.
Введение
Возрастная изменчивость костей скелета человека является актуальной проблемой медицины, поскольку, с одной стороны, возрастная динамика ведет к увеличению количества переломов и заболеваний костей, с другой -является основой многих методов определения возраста [7, 9, 11, 16]. Согласно мнению многочисленных исследователей [3-5, 7], костная ткань отражает общие процессы, происходящие в организме, и является информативным показателем биологического возраста.
Одним из признаков старения костной ткани считается остеопороз, при котором наибольшие изменения происходят в губчатом веществе. Это объясняется тем, что трабекулярная кость отличается меньшей плотностью, в сравнении с компактной, имеет бульшую поверхность [15], относительно тонкую структуру и особенно чувствительна к потере костного вещества [18]. При этом общепризнанно, что остеопоротические изменения раньше развиваются в поясничном отделе позвоночника и дистальном отделе лучевой кости [1, 2, 6, 8, 10].
В настоящее время для установления возраста индивида по инволютивным изменениям костной ткани в судебно-медицинских экспертизах, в основном, используют методики, основанные на анатомо-морфологическом, рентгенологическом и гистологическом исследованиях. В большинстве своем эти методы трудоемки и дают большую погрешность, а результат исследования часто зависит от опыта эксперта. При этом, как правило, все первоначальные измерения производятся вручную, что не исключает фактор субъективности.
В связи с этим представляется актуальным и практи-
чески значимым применение комплексного подхода к исследованию структурных возрастных изменений губчатого вещества, с использованием математических методов и компьютерной техники, что позволяет упростить и ускорить процедуру исследований, повысить точность и объективность получаемых результатов.
Материал и методы
Для выполнения поставленной цели исследовали губчатое вещество нативной костной ткани (161 комплект) без явной костной патологии. Каждый комплект состоял из дистального отдела лучевой кости и тел 1-У поясничных позвонков.
Все наблюдения были распределены на возрастные группы в соответствии с классификацией, принятой на VII Всесоюзной конференции по возрастной морфологии, физиологии и биохимии (Москва, 1965), и представлены в таблице 1.
Для исследования возрастной структуры губчатого вещества из дистального отдела лучевой кости и тел поясничных позвонков при помощи циркулярной пилы выпиливали костные пластинки: из дистального отдела лучевой кости перпендикулярно ее длинной оси, отступя от края запястной суставной поверхности 3-4 мм, по 5 костных пластинок; из центральной зоны тела каждого поясничного позвонка в горизонтальной плоскости по 1 пластинке. Кости прочно фиксировали при помощи винтового аппарата пилы, работающего в 2 плоскостях, что позволяло делать срезы в нужной плоскости, параллельно друг другу, толщиной около 3 мм. Костный жир удаляли струей горячей воды.
В.Э. Янковский и соавт.
СУДЕБНО-МЕДИЦИНСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЗРАСТА ПО ЦИФРОВЫМ...
Далее для количественной оценки возрастных изменений применили метод, основанный на использовании компьютерного анализа изображений губчатого вещества костей [12, 13, 17]. Вся процедура анализа включает в себя четыре этапа: получение изображения и его предварительная обработка, извлечение вектора признаков и распознавание образов в пространстве полученных признаков.
На первом этапе получали изображения с помощью планшетного сканера “EPSON PERFECTION 1270”, что позволило легко стандартизировать эту процедуру (одинаковое расстояние до объекта съемки) и получать снимки с высоким разрешением.
Далее полученные изображения губчатого вещества, принадлежащие одному объекту, сохраняли внутри каталога, имя которого состояло из буквы, обозначающей пол (M - мужчины, F - женщины), паспортного возраста и порядкового номера. Основной каталог содержал пять подкаталогов с именами I, II-V, соответствующими номерам срезов дистального отдела лучевой кости и порядковым номерам поясничных позвонков. Затем из полученных снимков “вырезали” фрагмент, содержащий изображение губчатого вещества: для лучевой кости -1024х512 точек, что соответствовало 30-70% одной костной пластинки трабекулярной кости; для поясничных позвонков размером 2048x2048 точек, что составляло 7080% площади вещества указанного на снимке (рис. 1).
На следующем этапе для каждого из таких изображений вычисляли вектор признаков - набор чисел, характеризующих структурные изменения губчатого вещества с возрастом. В качестве таковых были выбраны метрики коэффициентов вейвлет-декомпозиции и АМТ-спектры изображений. Далее полученные признаки использовали для построения регрессионной модели, связывающей значения структурных изменений губчатого вещества с возрастом индивида, губчатое вещество которого подвергалось анализу. Для получения такой модели использовался метод проекций на латентные структуры (ПЛС), дающий устойчивый результат, даже если вектор признаков состоит из нескольких сотен значений [14]. Преимущества этого метода заключаются в том, что при оптимизации факторного подпространства ПЛС учитывает не только вариацию исходных данных (возрастные изменения структуры губчатого вещества), но и вариацию переменных, значения которых нам необходимо предсказать (количество прожитых лет). В результате получаются оптимальные регрессионные соотношения с точки зрения процедуры проверки пригодности моделей прогнозирования возраста индивида. Модели строили для каждого пола отдельно. На последнем этапе полученные по изображениям губчатого вещества исследуемых костей модели использовали для вычисления возраста.
Таблица1
Распределение наблюдений по возрастным группам
Результаты и обсуждение
В результате проведенного компьютерного анализа цифровых изображений губчатого вещества дистального отдела лучевой кости и тел поясничных позвонков на распилах в горизонтальной плоскости установлено, что данный метод позволяет выявить возрастные изменения губчатого вещества исследуемых костей по размерам пор, толщине, форме и взаимному расположению костных балок. Полученные векторы признаков отражают инво-лютивные изменения губчатого вещества дистального отдела лучевой кости и тел поясничных позвонков (рис. 2).
Однако на этапе моделирования выяснилось, что по изображениям губчатого вещества дистального отдела лучевой кости построение модели предсказания возраста оказалось невозможным, т.к. на полученных графиках отмечается значительный рост остаточной дисперсии (рис. 3).
Это объясняется большой вариабельностью площади исследуемых костных пластинок и, соответственно, существенно разным количеством губчатого вещества (от 30 до 70%), попадающего в прямоугольный вырез (размером 1024x512 точек), используемый для компьютерного анализа.
В результате проведенного компьютерного анализа цифровых изображений трабекулярной кости и созданных моделей определения возраста индивида на основании возрастных изменений губчатого вещества тел поясничных позвонков, получены следующие результаты. Ошибки определения возраста с использованием моделей на основе АМТ-спектров (АМТ) для мужчин составили ±5,5 лет, коэффициентов вейвлет-преобразования (№Т) - ±5,6 лет и для женщин - ±5,3 лет и ±5,0 лет соответственно.
Проведенная серия “слепых опытов” (10) и личное участие в реальных судебно-медицинских идентифика-
Рис. 1. Изображение среза тела I поясничного позвонка. Справа - фрагмент для расчета вектора признаков
Возрастные группы зрелый возраст I зрелый возраст II пожилой возраст старческий и общее
долгожители количество
М22-35 Ж 21-35 М36-60 Ж 36-55 М 61-74 Ж 56-74 М >75 Ж >75 М Ж
Количество наблюдений 23 10 33 23 19 24 11 18 86 75
Рис. 2. Векторы признаков на основе метрик коэффициентов вейвлет-разложения для изображений губчатого вещества III позвонков (М. - 31, 60 и 81 год)
Рис. 3. Графики остаточной дисперсии моделей для изображений губчатого вещества тел поясничных позвонков (слева) и дистального отдела лучевой кости (справа) мужчин
ционных экспертизах (5) подтвердили надежность полученных в настоящем исследовании результатов.
Литература
1. Беневоленская Л.И., Лесняк О.М. Остеопороз. Диагностика, профилактика и лечение. Клинические рекомендации. -М. : ГЭОТАР-Медиа, 2007. - 176 с.
2. Воложин А.И., Оганов В.С. Остеопороз. - М. : Практическая медицина, 2005. - 238 с.
3. Джамолов Д.Д. Видовая, половая и возрастная характеристика поясничных позвонков для задач судебно-медицинского отождествления личности : автореф. дис. ... канд. мед. наук. - М., 1976. - 19 с.
4. Зинин А.М., Подволоцкий И.Н. Габитоскопия : учебное пособие. - М. : Изд-во “Юрлитинформ”, 2006. - 192 с.
5. Иванов П.Л., Заяц М.В. Разработка молекулярно-генетических идентификационных комбинированных систем “пол/ генотип” на основе локусов амелогенина, HLA-DQA1 и системы РоІушагкегТМ // Молекулярная биология. - 1997. -№ 3. - С. 557-563.
6. Марова Е.И. Остеопороз // Здоровье. - 1995. - № 9. -С. 24.
7. Неклюдов Ю.А. Экспертная оценка возрастных изменений скелета верхней конечности. - Саратов : Саратовский мед. ин-т, 1992. -124 с.
8. Окороков А.Н., Базеко Н.П. Остеопороз. - М. : Медицинская литература, 2003. -112 с.
9. Пятчук С.В. Судебно-медицинское определение возраста человека по инволю-тивным изменениям бедренной и большеберцовой костей : автореф. дис. ... канд. мед. наук. - Барнаул, 2001. - 20 с.
10. Риггз Б.Л., Мелтон III. ЛДж. Остеопороз : пер. с англ. - М.; СПб. : Бином ; Невский диалект, 2000. - 560 с.
11. Ряховский М.А. Возрастная изменчивость морфологических показателей дистальных фаланг стопы человека : автореф. дис. . канд. мед. наук. - Саратов, 2009. -24 с.
12. Фоминых С.А. Возрастная изменчивость губчатого вещества дистального отдела лучевой кости и поясничных позвонков : автореф. дис. . канд. мед. наук. - Барнаул, 2010. - 23 с.
13. Фоминых С.А., Янковский В.Э., Беляев И.А. и др. Судебно-медицинская оценка биологического возраста человека по инволютивным изменениям губчатого вещества поясничных позвонков // Проблемы экспертизы в медицине. - 2009. - Т. 9, № 1 (33). - С. 17-20.
14. Эсбенсен К. Анализ многомерных данных : пер. с англ. -М. : Изд-во ИПХФ РАН, 2005. - С. 135.
15. Frost H.M. Postmenopausal osteoporosis: the evolution of our concepts of its cause // Henry Ford Hosp. Med. J. - 1972. - Vol. 20. - Р. 83-90.
16. Hansen G. Die Altersbestimmung am proximalen Humerus- und Femurende im Rachmen der Identifizierung menschlicher Sceletreste. - Wissenschafte. Ztschr. d. Humboldt-Universitat zu Berlin. - Berlin, 1953-1954. - 234 р.
17. Kucheryavski S., Belyaev I., Fominykh S. Estimation of age in forensic medicine using multivariate approach to image analysis // Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems. - 2009. -Vol. 97, Issue 1. - P. 39-45.
18. Lord S.R. Sinnett P.F. Femoral neck fractures: admissions, bed use, outcome and projections // Med. J. Austr. - 1986. -Vol. 145. - P. 493-496.
Поступила 19.10.2010
